DE4033121A1 - Verfahren und vorrichtung zum starten eines elektrischen einphasen-synchronmotors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Steuerung eines elektrischen Einpha­ sen-Synchronmotors. Sie bezieht speziell auf ein Verfahren und eine Vorrichtung, die das Anlaufen eines solchen Motors in einer Vorzugs-Drehrichtung sicherstellen.

Um einen elektrischen Einphasen-Synchronmotor mit einer bestimm­ ten Drehrichtung und damit mit einer Vorzugs-Anlaufrichtung laufen zu lassen, muß man zu besonderen elektromagnetischen oder mechanischen Mitteln greifen. Letztere erfordern den Einsatz einer als "Rücklaufsperre" bezeichneten Vorrichtung. Eine mit einem Nocken arbeitende mechanische Rücklaufsperre, die übli­ cherweise verwendet wird, besitzt eine Reihe von Nachteilen:

• - zusätzliche Kosten, die durch notwendigen mechanischen Teile verursacht werden, insbesondere den in dem Rotor des Motors integrierten Nocken und einen Anschlag,
• - störendes Geräusch, insbesondere gegen Ende des Lebensdauer, das durch die Struktur des Geräts verstärkt wird, an dem der Motor montiert ist,
• - auf die Lebensdauer der Rücklaufsperre begrenzte mechanische Haltbarkeit der Gesamtanordnung sowie
• - zufällige und in gewissen Fällen zu große Anlaufzeit.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beseitigen und ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die das Starten eines elektrischen Einphasen-Synchronmotors in einer vorbestimmten Drehrichtung ermöglichen, ohne daß hierzu irgend­ welche speziellen mechanischen Mittel erforderlich sind, so daß insbesondere die Lärm- und Verschleißprobleme beseitigt werden, wobei besondere Zuverlässigkeit und eine konstante Anlaufzeit gewährleistet und der Kostenaufwand gering sein sollen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das Verfahren erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor des Motors durch wenig­ stens einen isolierten, aus einer einzigen Halbwelle bestehenden Stromimpuls mit vorbestimmter Polarität auf einen spezifischen Schritt vorpositioniert wird, und daß dann nach einer Zeit, die hinreichend groß ist, um den Rotor mechanisch auf diesem Schritt zu stabilisieren, der Motor mit "Vollwellen"-Wechselstrom gespeist wird, dessen erste Halbwelle eine zu der Polarität des Stromimpulses zur Vorpositionierung des Rotors entgegengesetzte Polarität hat.

Somit stellt die Erfindung ein Verfahren zum Starten eines Ein­ phasen-Synchronmotors zur Verfügung, das rein elektrischer Natur ist und leicht durch eine analoge oder digitale elektronische Motor-Steuerschaltung bewertkstelligt werden kann. Die Durchfüh­ rung des Verfahrens kann, insbesondere was den oder die Impulse zur Vorpositionierung des Rotors betrifft, mit dem elektrischen Wechselstrom-Netz zur Speisung des Motors synchronisiert werden.

Das Prinzip der Erfindung besteht also darin, daß man den Rotor in eine spezielle Winkelposition führt und dort arretiert, falls er diese Position nicht bereits zuvor innehatte, daß man den Motor aus dieser Rotorposition und damit unter wohldefinierten Bedingungen anlaufen läßt, um ihm eine vorbestimmte Drehrichtung aufzudrücken.

In der Praxis muß der Impuls zur Vorpositionierung des Rotors in bezug auf seine Energie und damit seinen mittleren Strom be­ stimmten Bedingungen entsprechen:

So muß die Energie des Impulses zur Vorpositionierung wenigstens so groß sein wie ein unterer Grenzwert, der bei gegebenen Spei­ se- und Umgebungsbedingungen erforderlich ist, um die Wider­ stands- und Trägheitsmomente zu überwinden und für den Fall, daß der Rotor zunächst nicht auf dem spezifischen Schritt steht, einen Schritt zu überwinden. Im entgegengesetzten Fall "bestä­ tigt" der Impuls einfach die Ruheposition des Rotors.

Andererseits darf die Energie des Impulses zur Vorpositionierung einen oberen Grenzwert nicht überschreiten, der dem maximalen Beschleunigungsmoment entspricht, jenseits dessen der Rotor mehrere Schritte überschreiten und sich in einer Zufallsposition stabilisieren würde.

Der untere und obere Grenzwert bestimmen in bezug auf gewünschte Spannungsintervalle des Wechselstrom-Speisenetzes und der Umge­ bungstemperatur einen Steuerbereich, der berücksichtigt werden muß, um eine gewünschte Anlaufrichtung zu erreichen.

Um allen Streuungen Rechnung zu tragen, die insbesondere mit den Änderungen der Steuerungsparameter und der Bauteile verbunden sind, wird bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens gemäß der Erfindung der Rotor durch mehrere aufeinanderfolgende aus jeweils einer einzigen Halbwelle bestehende Stromimpulse auf den spezifischen Schritt vorpositioniert, wobei diese Strom­ impulse zeitlich voneinander getrennt sind und alle dasselbe Vorzeichen, jedoch unterschiedliche Energien haben. Man kann beispielsweise eine Folge von Stromimpulsen vorsehen, deren Energie im Lauf der Zeit abnimmt, wobei der erste Impuls der­ jenige mit der größten und der letzte Impuls derjenige mit der kleinsten Energie ist.

Die Verwendung einer solchen Impulsfolge stellt sicher, daß wenigstens einer der Impulse in den zu berücksichtigenden Steuerbereich fällt. Diese gewährleistet in Verbindung mit der degressiven Energie der Impulsfolge, daß dem letzten Strom­ impuls, der genügend groß ist, um den Rotor auf einem korrekten Schritt zu positionieren, nicht durch den oder die nachfolgenden Impulse entgegengewirkt wird, deren Energie notwendigerweise zu schwach ist, um einen Schritt zu überwinden. Der Rotor bleibt also unabhängig von den oben erwähnten Streuungen nach der Impulsfolge in einer korrekten stabilen Position.

Die Erfindung hat auch eine Vorrichtung zur Durchführung des vorangehend beschriebenen Verfahrens zum Starten eines elektri­ schen Einphasen-Synchronmotors in einer Vorzugs-Drehrichtung zum Gegenstand.

Diese Vorrichtung umfaßt im wesentlichen einen mit dem Motor in Reihe gschalteten bidirektionalen gesteuerten Schalter, einen elektrischen Impulsgenerator, durch dessen Ausgangssignal der Schalter in seinen leitenden Zustand steuerbar ist, und Mittel zum Synchronisieren des Impulsgenerators mit dem elektrischen Wechselstrom-Netz zur Speisung des Motors, wobei der Impulsgene­ rator so konzipiert ist, daß er die Speisung des Motors mit Hil­ fe des Schalters zur Vorpositionierung des Rotors durch wenig­ stens einen aus einer einzigen Halbwelle bestehenden Stromimpuls mit vorbestimmter Polarität und sodann die Speisung des Motors mit "Vollwellen"-Wechselstrom steuert, dessen erste Halbwelle eine zu der Polarität des Stromimpulses zur Vorpositionierung des Rotors entgegengesetzte Polarität hat.

Der durch den elektrischen Impulsgenerator gesteuerte birektio­ nale Schalter kann ein Triac sein, während die Mittel zum Syn­ chronisieren des elektrischen Impulsgenerators mit dem Wechsel­ strom-Netz vorteilhafterweise aus einem Nulldurchgangs-Detektor zur Ermittlung der Nulldurchgänge der Wechselspannung des Netzes bestehen.

Für den Fall, daß eine Impulsfolge mit abnehmender Energie erzeugt wird, ist der Impulsgenerator so ausgebildet, daß er den gesteuerten Schalter mit, bezogen auf die Zeitpunkte der Null­ durchgänge der Wechselspannung des Netzes größer werdenden Zeitverzögerungen in seinen leitenden Zustand steuert, so daß daß die Energie der aufeinanderfolgenden Stromimpulse im Lauf der Zeit kleiner wird. Mit anderen Worten, die Energien der Impulsfolge werden durch Phasensteuerung "kalibriert".

Zum besseren Verständnis sei die Erfindung im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert, in der ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum Starten eines elektrischen Einphasen- Synchronmotors dargestellt und die Funktion dieser Vorrichtung anschaulicht sind.

Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild einer Vorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 zeigt ein Diagramm der in der Vorrichtung entstehenden oder verwendeten elektrischen Signale.

In Fig. 1 ist ein elektrischer Einphasen-Synchronmotor 1 darge­ stellt, der über zwei Anschlußklemmen 2 und 3 aus einem Einpha­ sen-Wechselstrom-Netz mit einer Wechselspannung V gespeist wird. Ein gesteuerter bidirektionaler Leistungsschalter 4, z.B. in Form eines Triacs, ist in Reihe mit dem Motor 1 zwischen den Speiseanschlssen 2 und 3 angeordnet.

Ein elektrischer Impulsgenerator 5 besitzt einen Ausgang 6, der mit der Steuerelektrode des Schalters 4 verbunden ist. Die von dem Impulsgenerator 5 gelieferten Impulse steuern den Schalter 4 in seinen leitenden Zustand. Der elektrische Impulsgenerator 5 wird seinerseits mit Hilfe eines Nulldurchgang-Detektors 7, d.h. einer Vorrichtung, die die Nulldurchgänge der Wechselspannung V des Wechselstrom-Netzes ermittelt, mit dem Wechselstrom-Netzes des Motors 1 synchronisiert.

Die Funktion der Vorrichtung beim Starten des Motors 1 wird durch das in Fig. 2 dargestellte Diagramm näher erläutert, des­ sen übereinander liegenden Linien folgende Größen in Abhängig­ keit von der Zeit darstellen:

• - die Wechselspannung V des Speisenetzes zwischen den Anschluß­ klemmen 2 und 3,
• - die von dem Nulldurchgang-Detektor 7 gelieferten Signale Z,
• - die Spannung Vm, mit der der Motor 1 in einem gegebenen Zeitpunkt effektiv gespeist wird, und
• - die Intensität des durch den Motor 1 fließenden Stroms Im.

Die von dem Nulldurchgang-Detektor 7 an den Generator 5 gelie­ ferten Signale Z sind periodische Impulse, deren Frequenz doppelt so groß wie die des Speisenetzes.

Im hier betrachteten Beispiel dient die Vorrichtung dazu, dem Motor 1 drei aufeinanderfolgende Stromimpulse I1, I2 und I3 zur Vorpositionierung des Rotors zuzuführen, die alle positive Polarität haben und deren Energie von Impuls zu Impuls kleiner wird.

Diese Impulse werden gewonnen, indem das Triac 4 jedesmal am Ende einer bestimmten Verzögerungszeit T1, T2, oder T3 nach einem Zeitpunkt t1, t2 oder t3 des Nulldurchgangs der Wechsel­ spannung V, bei dem die Spannung dann von einem negativen zu einem positiven Wert wechselt, in seinen leitenden Zustand gesteuert wird, wobei die Verzögerungszeit durch den Impuls­ generator 5 gesteuert wird. Das Triac 4 bleibt dann bis zum nächsten Nulldurchgang der Wechselspannung V leitend. Die erste Verzögerungszeit T1, die relativ klein ist, führt zu einem ersten Stromimpuls I1 mit relativ großer Energie. Die zweite Verzögerungszeit T2, die größer ist als die erste Verzögerungs­ zeit T1, führt zu einem zweiten Stromimpuls I2 mit weniger großer Energie. Die dritte Verzögerungszeit T3, die noch größer ist als die zweite Verzögerungszeit T2, führt zu einem dritten Stromimpuls I3 mt noch kleinerer Energie.

Nach dem dritten Stromimpuls I3 detektiert die Vorrichtung im Zeitpunkt t4 einen neuen Nulldurchgang der Wechselspannung V, wobei die Spannung dann jedoch von einem positiven zu einem negativen Wert wechselt. Von diesem Zeitpunkt t4 an wird das Triac 4 so gesteuert, daß es ständig leitend ist. Der elektri­ sche Motor wird mit "Vollwellen"-Wechselstrom gespeist, wobei die erste Halbwelle A negative Polarität hat, so daß das Anlau­ fen des Motors in einer vorbestimmten Richtung sichergestellt ist.

Die Erfindung ist unter anderem auf elektrische Einphasen-Syn­ chronmotoren anwendbar, die in Programmschaltern von elektri­ schen Haushaltsgeräten, z.B. Geschirrspülern oder Waschmaschi­ nen, eingebaut sind. Diese Motoren dienen zum Drehen eines Nockenblocks, der seinerseits eine bestimmte Anzahl elektrischer Schalter steuert. Bei dieser Anwendung, und insbesondere, wenn es sich um einen "hybriden" Programmschalter handelt, wird der Motor bereits durch eine elektronische Schaltung gesteuert, die insbesondere die Schrittdauer des Programms überwacht. Es ist deshalb ohne weiteres möglich, in diese elektronische Schaltung die Funktionen der den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildenden Vorrichtung zu integrieren, durch die dem Motor eine bestimmte Anlaufrichtung aufgezwungen wird.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die als Ausfüh­ rungsbeispiel dargestellte und beschriebene Vorrichtung zum Starten eines elektrischen Einphasen-Synchronmotors beschränkt. Sie umfaßt vielmehr alle Realisierungs- und Anwendungsvarianten, die von demselben Prinzip Gebrauch machen. So wird der Rahmen der Erfindung nicht verlassen, wenn die Anzahl der Vorpositio­ nierungs-Impulse verändert oder die Polarität dieser Impulse umgekehrt wird, vorausgesetzt, daß die Speisung anschließend mit einer ersten Halbwelle erfolgt, deren Polarität derjenigen der Vorpositionierungs-Impulse entgegengesetzt ist.

Claims (11)

1. Verfahren zum Starten eines elektrischen Einphasen-Synchron­ motors, das das Anlaufen des Motors in einer Vorzugs-Drehrich­ tung ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor des Motors (1) durch wenigstens einen isolier­ ten, aus einer einzigen Halbwelle bestehenden Stromimpuls (I1, I2, I3) mit vorbestimmter Polarität auf einen spezifischen Schritt vorpositioniert wird, und daß dann nach einer Zeit, die hinreichend groß ist, um den Rotor mechanisch auf diesem Schritt zu stabilisieren, der Motor (1) mit "Vollwellen"-Wechselstrom gespeist wird, dessen erste Halbwelle (A) eine zu der Polarität des Stromimpulses zur Vorpositionierung des Rotors entgegenge­ setzte Polarität hat.

2. Verfahren zum Starten eines elektrischen Einphasen-Synchron­ motors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor durch mehrere aufeinanderfolgende, aus jeweils einer einzigen Halbwelle bestehende Stromimpulse (I1, I2, 13) auf einen spezi­ fischen Schritt vorpositioniert wird, wobei diese Stromimpulse zeitlich voneinander getrennt sind und alle dasselbe Vorzei­ chen, jedoch unterschiedliche Energien haben.

3. Verfahren zum Starten eines elektrischen Einphasen-Synchron­ motors nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor durch eine Folge von Stromimpulsen (I1, I2, I3) mit zeitlich abnehmender Energie auf einen spezifischen Schritt vorpositio­ niert wird.

4. Verfahren zum Starten eines elektrischen Einphasen-Synchron­ motors nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß der oder die Impulse (I1, I2, I3) zum Vorpositionieren des Rotors mit der Schwingung (V) des elektrischen Wechselstrom- Netzes zur Speisung des Motors (1) synchronisiert sind.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Starten eines elektrischen Einphasen-Synchronmotors in einer Vorzugs-Drehrich­ tung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie im wesent­ lichen aus folgender Kombination besteht:

• - einem mit dem Motor (1) in Reihe gschalteten bidirektionalen gesteuerten Schalter (4),
• - einem elektrischen Impulsgenerator (5), durch dessen Ausgangs­ signal (6) der Schalter (4) in seinen leitenden Zustand steu­ erbar ist, und
• - Mitteln (7) zum Synchronisieren des Impulsgenerators (5) mit dem elektrischen Wechselstrom-Netz zur Speisung des Motors (1),

wobei der Impulsgenerator (5) die Speisung des Motors (1) mit Hilfe des Schalters zur Vorpositionierung des Rotors durch wenigstens einen aus einer einzigen Halbwelle (I1, I2, I3) bestehenden Stromimpuls mit vorbestimmter Polarität und sodann die Speisung des Motors mit "Vollwellen"-Wechselstrom steuert, dessen erste Halbwelle (A) eine zu der Polarität des Strom­ impulses zur Vorpositionierung des Rotors entgegengesetzte Polarität hat.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der durch den elektrisch Impulsgenerator (5) gesteuerte birektionale Schalter (4) ein Triac (4) ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Synchronisieren des elektrischen Impulsgene­ rators (5) mit dem Wechselstrom-Netz aus einem Nulldurchgangs- Detektor (7) zur Ermittlung der Nulldurchgänge der Wechselspan­ nung (V) des Netzes bestehen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Impulsgenerator (5) den gesteuerten Schalter (4) mit Verzögerungszeiten (T1, T2, T3) in seinen leitenden Zustand steuert, die, bezogen auf die Zeitpunkte, (t1, t2, t3) der Null­ durchgänge der Wechselspannung (V) des Netzes größer werden, derart daß die Energie der aufeinanderfolgenden Stromimpulse (I1, I2, I3) im Lauf der Zeit (t) kleiner wird.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, gekennzeichnet durch ihre Anwendung bei einem in den Programmschalter eines Haushaltsgeräts eingebauteten elektrischen Einphasen-Synchron­ motor (1).

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, insbesondere für die Anwendung bei dem Motor eines hybriden Programmschalters, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Funktionen der Vorrichtung in die elektroni­ sche Schaltung zur Steuerung des Motors und insbesondere der Programm-Schrittdauer einbezogen sind.